雷达原理(第三版)--丁鹭飞第7章

第7章角度测量第7章角度测量7.1概述7.2测角方法及其比较7.3天线波束的扫描方法7.4三坐标雷达7.5自动测角的原理和方法第7章角度测量7.1概述为了确定目标的空间位置,雷达在大多数应用情况下,不仅要测定目标的距离,而且还要测定目标的方向,即测定目标的角坐标,其中包括目标的方位角和高低角(仰角)。雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。由于电波沿直线传播,目标散射或反射电波波前到达的方向,即为目标所在方向。但在实际情况下,电波并不是在理想均匀的介质中传播,如大气密度、湿度随高度的不均匀性造成传播介质的不均匀,复杂的地形地物的影响等,因而使电波传播路径发生偏折,从而造成测角误差。通常在近距测角时,由于此误差不大,仍可近似认为电波是直线传播的。当远程测角时,应根据传播介质的情况,对测量数据(主要是仰角测量)作出必要的修正。第7章角度测量天线的方向性可用它的方向性函数或根据方向性函数画出的方向图表示。但方向性函数的准确表达式往往很复杂,为便于工程计算,常用一些简单函数来近似,如表7.1所示。方向图的主要技术指标是半功率波束宽度θ0.5以及副瓣电平。在角度测量时θ0.5的值表征了角度分辨能力并直接影响测角精度,副瓣电平则主要影响雷达的抗干扰性能。雷达测角的性能可用测角范围、测角速度、测角准确度或精度、角分辨力来衡量。准确度用测角误差的大小来表示,它包括雷达系统本身调整不良引起的系统误差和由噪声及各种起伏因素引起的随机误差。而测量精度由随机误差决定。角分辨力指存在多目标的情况下,雷达能在角度上把它们分辨开的能力,通常用雷达在可分辨条件下,同距离的两目标间的最小角坐标之差表示。第7章角度测量表7.1天线方向图的近似表示第7章角度测量表7.1天线方向图的近似表示第7章角度测量7.2测角方法及其比较7.2.11.相位法测角利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。如图7.1所示,设在θ方向有一远区目标,则到达接收点的目标所反射的电波近似为平面波。由于两天线间距为d,故它们所收到的信号由于存在波程差ΔR而产生一相位差φ,由图7.1知sin22dR(7.2.1)其中λ为雷达波长。如用相位计进行比相,测出其相位差φ,就可以确定目标方向θ。第7章角度测量图7.1相位法测角方框图接收机接收机12目标方向法线方向R＝dsind第7章角度测量由于在较低频率上容易实现比相,故通常将两天线收到的高频信号经与同一本振信号差频后,在中频进行比相。设两高频信号为u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2cos(ωt)本振信号为uL=ULcos(ωLt+φL)其中，φ为两信号的相位差；φL为本振信号初相。u1和uL差频得uI1=UI1cos［(ω-ωL)t-φ-φL］第7章角度测量u2与uL差频得uI2=UI2cos［(ω-ωL)t-φL］可见，两中频信号uI1与uI2之间的相位差仍为φ。图7.2所示为一个相位法测角的方框图。接收信号经过混频、放大后再加到相位比较器中进行比相。其中自动增益控制电路用来保证中频信号幅度稳定,以免幅度变化引起测角误差。第7章角度测量图7.2相位法测角方框图混频器混频器自动增益控制自动增益控制本振中放中放相位比较器第7章角度测量图7.3(a)电路;(b)U2U1;(c)U2=1/2U1＋－＋－121u121u＋－ud1ud2u2u2Uo1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(c)VD1VD2第7章角度测量为讨论方便,设变压器的变压比为1∶1,电压正方向如图7.3(a)所示,相位比较器输出端应能得到与相位差φ成比例的响应。为此目的,当相位差为φ的两高频信号加到相位检波器之前,其中之一要预先移相90°。因此相位检波器两输入信号为u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2=cos(ωt-90°)U1、U2为u1、u2的振幅,通常应保持为常值。现在u1在相位上超前u2的数值为(90°-φ)。由图7.3(a)知：1221212121uuuuuudd第7章角度测量当选取U2U1时,由矢量图7.3(b)可知sin21sin2112221211UUUuUUUudddd故相位检波器输出电压为sin12121UKUKUKUUUdddddooo其中Kd为检波系数。由式(7.2.2)可画出相位检波器的输出特性曲线,如图7.4(a)所示。测出Uo,便可求出φ。显然,这种电路的单值测量范围是-π/2~π/2。当φ＜30°,Uo≈KdU1φ,输出电压Uo与φ近似为线性关系。第7章角度测量当选取1/2U1=U2时,由矢量图7.3(c)可求得:2145sin2122145sin2121211UUUUdd则输出245sin245sin11UKUKUddo输出特性如图7.4(b)所示,φ与Uo有良好的线性关系,但单值测量范围仍为-π/2~π/2。为了将单值测量范围扩大到2π,电路上还需采取附加措施。第7章角度测量图7.4相位检波器输出特性(a)U2U1;(b)U2=1/2U12πUo2π0(a)(b)2πUo2π0KdU1sin(45＋)2°KdU1sin(45－)2°－第7章角度测量2.相位差φ值测量不准,将产生测角误差,它们之间的关系如下［将式(7.2.1)两边取微分］:ddddddcos2cos2(7.2.3)由式(7.2.3)看出,采用读数精度高(dφ小)的相位计,或减小λ/d值(增大d/λ值),均可提高测角精度。也注意到：当θ=0时,即目标处在天线法线方向时,测角误差dθ最小。当θ增大,dθ也增大,为保证一定的测角精度,θ的范围有一定的限制。第7章角度测量增大d/λ虽然可提高测角精度,但由式(7.2.1)可知,在感兴趣的θ范围(测角范围)内,当d/λ加大到一定程序时,φ值可能超过2π,此时φ=2πN+ψ,其中N为整数;ψ＜2π,而相位计实际读数为ψ值。由于N值未知,因而真实的φ值不能确定,就出现多值性(模糊)问题。必须解决多值性问题,即只有判定N值才能确定目标方向。比较有效的办法是利用三天线测角设备,间距大的1、3天线用来得到高精度测量,而间距小的1、2天线用来解决多值性,如图7.5所示。第7章角度测量图7.5三天线相位法测角原理示意图接收机接收机12d123接收机12d13R12R1313第7章角度测量设目标在θ方向。天线1、2之间的距离为d12,天线1、3之间的距离为d13,适当选择d12,使天线1、2收到的信号之间的相位差在测角范围内均满足:Nd2sin21313(7.2.4)2sin21212dφ12由相位计1读出。根据要求,选择较大的d13,则天线1、3收到的信号的相位差为第7章角度测量φ13由相位计2读出,但实际读数是小于2π的ψ。为了确定N值,可利用如下关系:1212131312131213dddd(7.2.5)根据相位计1的读数φ12可算出φ13,但φ12包含有相位计的读数误差,由式(7.2.5)标出的φ13具有的误差为相位计误差的d13/d12倍,它只是式(7.2.4)的近似值,只要φ12的读数误差值不大,就可用它确定N,即把(d13/d12)φ12除以2π,所得商的整数部分就是N值。然后由式(7.2.4)算出φ13并确定θ。由于d13/λ值较大,保证了所要求的测角精度。第7章角度测量7.2.2振幅法测角1.当天线波束作圆周扫描或在一定扇形范围内作匀角速扫描时,对收发共用天线的单基地脉冲雷达而言,接收机输出的脉冲串幅度值被天线双程方向图函数所调制。找出脉冲串的最大值(中心值),确定该时刻波束轴线指向即为目标所在方向,如图7.6(b)的①所示。如天线转动角速度为ωar/min,脉冲雷达重复频率为fr,则两脉冲间的天线转角为rasf160360这样,天线轴线(最大值)扫过目标方向(θt)时,不一定有回波脉冲,就是说,Δθs将产生相应的“量化”测角误差。第7章角度测量在人工录取的雷达里,操纵员在显示器画面上看到回波最大值的同时,读出目标的角度数据。采用平面位置显示(PPI)二度空间显示器时,扫描线与波束同步转动,根据回波标志中心(相当于最大值)相应的扫描线位置,借助显示器上的机械角刻度或电子角刻度读出目标的角坐标。第7章角度测量在自动录取的雷达中,可以采用以下办法读出回波信号最大值的方向:一般情况下,天线方向图是对称的,因此回波脉冲串的中心位置就是其最大值的方向。测读时可先将回波脉冲串进行二进制量化,其振幅超过门限时取“1”,否则取“0”,如果测量时没有噪声和其它干扰,就可根据出现“1”和消失“1”的时刻,方便且精确地找出回波脉冲串“开始”和“结束”时的角度,两者的中间值就是目标的方向。通常,回波信号中总是混杂着噪声和干扰,为减弱噪声的影响,脉冲串在二进制量化前先进行积累,如图7.6(b)中②的实线所示,积累后的输出将产生一个固定迟延(可用补偿解决),但可提高测角精度。第7章角度测量最大信号法测角也可采用闭环的角度波门跟踪进行,如图7.6(b)中的③、④所示,它的基本原理和距离门做距离跟踪相同。用角波门技术作角度测量时的精度(受噪声影响)为nmppBpBNSKLNEK)/(2/20(7.2.6a)式中,E/N0为脉冲串能量和噪声谱密度之比,Kp为误差响应曲线的斜率(图7.6(b)的⑤),θB为天线波束宽度,Lp为波束形状损失,(S/N)m是中心脉冲的信噪比;n=t0fr,为单程半功率点波束宽度内的脉冲数。在最佳积分处理条件下可得到,则得4.1/ppLKnNSmB5.0(7.2.6b)第7章角度测量最大信号法测角的优点一是简单;二是用天线方向图的最大值方向测角,此时回波最强,故信噪比最大,对检测发现目标是有利的。其主要缺点是直接测量时测量精度不很高,约为波束半功率宽度(θ0.5)的20%左右。因为方向图最大值附近比较平坦,最强点不易判别,测量方法改进后可提高精度。另一缺点是不能判别目标偏离波束轴线的方向,故不能用于自动测角。最大信号法测角广泛应用于搜索、引导雷达中。第7章角度测量图7.6最大信号法测角(a)波束扫描;(b)波型图(a)目标tAaA＝at①幅度t/at＝A/a幅度t/atti②aftA2第7章角度测量图7.6最大信号法测角(a)波束扫描;(b)波型图tg加权t③t④加权后幅度幅度⑤(b)att第7章角度测量2.等信号法测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束,其方向图如图7.7(a)所示。如果目标处在两波束的交叠轴OA方向,则由两波束收到的信号强度相等,否则一个波束收到的信号强度高于另一个(如图7.7(b)所示)。故常常称OA为等信号轴。当两个波束收到的回波信号相等时,等信号轴所指方向即为目标方向。如果目标处在OB方向,波束2的回波比波束1的强,处在OC方向时,波束2的回波较波束1的弱,因此，比较两个波束回波的强弱就可以判断目标偏离等信号轴的方向并可用查表的办法估计出偏离等信号轴的大小。第7章角度测量图7.7等信号法测角(a)波束;(b)K型显式器画面(a)(b)12OCBA0121212OC方向OA方向OB方向第7章角度测量设天线电压方向性函数为F(θ),等信号轴OA的指向为θ0,则波束1、2的方向性函数可分别写成:F1(θ)=F(θ1)=F(θ+θk-θ0)F2(θ)=F(θ2)=F(θ-θ0-θk)θk为θ0与波束最大值方向的偏角。用等信号法测量时,波束1接收到的回波信号u1=KF1(θ)=KF(θk-θt),波束2收到的回波电压值u2=KF2(θ)=KF(-θk-θt)=KF(θk+θt),式中θt为目标方向偏离等信号轴θ0的角度。对u1和u2信号进行处理,可以获得目标方